Объектно-ориентированный подход (стр. 3 из 22)
Таблица 2.1
Использование объектно-ориентированного подхода в задачах моделирования.
| Суть ООП состоит в следующем: 1. Программа представляет собой совокупность объектов, объединяющих данные и методы их обработки. 1.1. Смысл объекта (поведение) отделён от его реализации (структуры) за счёт того, что методы могут не содержать кода, а данные имеют определённую область видимости. 1.2. Данные объектов (поля) также могут быть объектами. 2. Каждый объект относится к определённому типу (классу), т.е. является его экземпляром. 3. Тип (класс) может наследовать часть данных и методов от других типов (классов), то есть быть их подтипом. Примечание к пункту 1.2: в одном и том же поле могут храниться объекты определённого типа и всех его подтипов. | Суть объектно-ориентированной модели состоит в следующем: 1. Модель представляет собой совокупность элементов, объединяющих параметры модели и методы их расчёта. 1.1. Смысл элемента (набор параметров и основные методы их обработки) отделён от его реализации (от вспомогательных данных и методов). 1.2. Данные элементов (параметры, ссылки на соседние элементы и т.д.) также могут быть объектами. 2. Каждый элемент относится к определённому типу (классу), и вычислительные алгоритмы обычно разделены на несколько методов разных классов. 3. Тип (класс) может наследовать часть данных и методов от других типов (классов), причём данные и аргументы методов могут быть не только определённого типа, но и всех его подтипов |
| ООП имеет следующие преимущества перед другими подходами: 1) компактность программ, уменьшающая их стоимость и время их разработки; 2) возможность повторного использования классов, программ и проектов; 3) эффективное разделение работы между дизайнерами и программистами; 4) быстрая адаптация программ к изменяющимся задачам и требованиям; 5) уменьшение риска разработки сложных программ за счёт интеграции и тестирования их компонентов на протяжении всего времени разработки, а не на последнем её этапе. 6) ориентация на человеческое восприятие мира, позволяющая программировать даже без понимания деталей работы компьютера. | Объектно-ориентированные модели имеют следующие преимущества перед процедурно-ориентированными: 1) компактность модели; 2) возможность повторного использования частей модели; 3) эффективное разделение работы над численными методами, содержанием и наглядным представлением модели; 4) быстрая адаптация модели к изменению структуры и численных методов; 5) уменьшение риска разработки сложных моделей за счёт интеграции и тестирования их частей на протяжении всего времени разработки, а не на последнем её этапе; 6) ориентация на предметную область модели, позволяющая моделировать без глубокого знания численных методов и, возможно, без умения программировать |
2.1.3. Существующие объектные средства моделирования
Таким образом, любая более-менее сложная математическая или имитационная модель является удобным предметом для применения объектно-ориентированного подхода. Конечно, этот факт был давно замечен и использован в большом количестве программных средств для моделирования [7,8]. Однако в большинстве таких средств объектно-ориентированным является только внешнее представление элементов модели, которое перед началом расчётов компилируется в код процедурно-ориентированного языка программирования или просто преобразуется в параметры готового кода. Например, блоки многих имитационных моделей преобразуются в переменные системы обыкновенных дифференциальных уравнений, а связи между ними – в функции её правых частей.
Такой подход, безусловно, решает часть проблем стандартных моделей, связанных с их недостаточной наглядностью и с негибкостью по отношению к изменениям структуры. В частности, в моделях появляются чётко ограниченные блоки, которые можно быстро удалять, добавлять и использовать в совершенно других моделях. Тем не менее, изменение самих блоков ввиду их процедурно-ориентированной реализации весьма затруднительно, а методы расчёта таких моделей вообще не изменяемы (не имеют объектно-ориентированного представления даже на внешнем уровне). Кроме того, трансляция модели из графически интерпретируемых объектов в параметры процедур является достаточно сложной задачей, и этот факт тормозит развитие методов математической обработки модели (для каждого нового метода необходимо также реализовывать алгоритмы трансляции, а иногда и вводить новые объекты).
Существенно меньше распространены средства моделирования, в которых не только сама структура модели является объектно-ориентированной, но и работающие с ней численные методы. В этом направлении существуют два основных подхода. Первый обычно реализуется в задачах CFD (вычислительной газо- и гидродинамики) и других разделов механики и электродинамики сплошных сред [6]. Считается, что объектная методология имеет два основных преимущества по отношению к таким задачам – приспособленность к параллельным вычислениям и к решению задач со сложной геометрией. При описании параллельных вычислений в качестве объектов рассматриваются процессоры, обменивающиеся между собой данными в ходе расчётов, а при описании геометрии – однородные области интегрирования (часто примитивной формы), взаимодействующие между собой на границах. Для реализации этих преимуществ достаточно простейшей объектной модели, даже без наследования. Как следствие, проблему изменения и расширения численных методов данная трактовка понятия объекта не решает.
С точки зрения имитационного моделирования важным преимуществом использования объектов является возможность наглядного представления структуры модели и её визуального редактирования (то есть изменения без программирования). Обычно такая возможность реализуется путём построения модели из отдельных параметров, которые можно связывать между собой с помощью разных функций. Функции и параметры являются объектами многочисленных типов (классов). В частности, функции могут быть заданы таблично или с помощью формулы, могут зависеть не только от значений параметров, но и от их производных, а также зависеть от них с запаздыванием. В наиболее развитых системах имитационного моделирования [7,9,10] среди этих функций имеются достаточно сложные дифференциальные и дискретные операторы, что формально позволяет графически описать любую систему уравнений. К сожалению, такой системой не могут пользоваться эксперты предметной области, далёкие от математики. Например, для решения с её помощью дифференциального уравнения нужно понимать смысл преобразования Лапласа, а представление этого уравнения довольно громоздко (см. рис. 2.3).
